混合動力汽車電池均衡方案的研究

4 均衡電路設(shè)計

　　對電池進(jìn)行均衡控制的硬件組成主要有MCU控制單元， 電池監(jiān)控IC， 均衡電路， 以及電源電路，溫度模塊，風(fēng)扇控制電路等。電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示， 電池監(jiān)控IC 采集各單體電池端電壓， 并實時向MCU 發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機通過CAN 總線與監(jiān)控IC通信， 將數(shù)據(jù)實時顯示。溫度模塊采用智能化溫度傳感器， 它把溫度傳感器， 外圍電路， A /D 轉(zhuǎn)換器，微控制器和接口電路集成到一個芯片中， 對電池進(jìn)行溫度測量、溫度控制并與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖2 均衡電路硬件結(jié)構(gòu)框圖。

　　5 均衡控制策略的制定

　　通過平衡電壓來平衡容量的均衡方法在控制時應(yīng)兼顧以下幾點:

　　( 1)均衡放電電阻R 的選取。均衡電路工作時， 能量高的電池會通過放電電阻以熱能的形式釋放掉， 如果此時電阻溫度過高，可能會造成電路熱失控， 存在安全隱患， 因此， 電阻的值不能過小; 另一方面， 均衡電流直接決定了均衡時間， 如果均衡電流過小，會使均衡時間過長， 達(dá)不到均衡要求， 而均衡電流的大小是由放電電阻決定的， 電阻值越大均衡電流越小， 因此， 電阻值又不能過大。綜上，電阻值能否適當(dāng)選取是均衡效果的關(guān)鍵。

　　( 2)均衡電壓閾值( a) 的設(shè)定。電壓閾值的大小直接決定了均衡電路啟動及關(guān)閉的時刻， 若電壓閾值設(shè)的過大，會導(dǎo)致均衡時間過短， 均衡效果不明顯， 達(dá)不到要求， 電壓閾值設(shè)的過小， 則均衡時間過長， 不但白白消耗了能量，且對電池組各電池有害無益。因此， 需要從電池容量不一致所表現(xiàn)的充放電特征分析， 并結(jié)合混合動力車的應(yīng)用情況來設(shè)置均衡閾值。

　　( 3)均衡模塊的啟動和關(guān)閉。在初始上電后，MCU 定時檢測電池組各單體電壓， 一旦超過閾值則對需要均衡的單體閉合開關(guān)，進(jìn)行放電， 其余單體的開關(guān)斷開。之后MCU 會定時判斷單體電壓， 重新判斷是否符合均衡條件。如果單體的電壓一致性回到閾值內(nèi)，則所有均衡回路的開關(guān)管均斷開， 均衡終止。

　　6 模擬工況測試

　　為了模擬電池均衡模塊在實際車輛運行時的效果， 采用如下測試工況， 并保持室溫在10℃ ~ 20℃之間。此工況測試分兩個測試程序，一個是#主放電工況”， 其放電量略多于充電量; 另一個是“主充電工況”， 其充電量略多于放電量， 并確定SOC 波動范圍在30% 至80% 之間。

　　實驗用電池為錳酸鋰電池( LMi nO4 ) ， 實際容量8. 6Ah， 額定電壓3. 6V， 內(nèi)阻3. 7Ω ， 12節(jié)串聯(lián)。

　　均衡前后電池充電曲線如圖3 所示， 均衡前電池充電曲線明顯不一致， 電池組壓差最大值約為200mV， 對應(yīng)的容量差約為20% 。充電時高容量單體將先達(dá)到閾值電壓， 使電池的充入容量明顯降低，僅為7Ah， 大大降低了電池的利用率。( b) 圖為經(jīng)過35小時均衡測試后充電曲線圖， 可以看出各單體間基本恢復(fù)一致， 壓差不超過10mV， 充入容量擴(kuò)大到8. 4Ah。并且經(jīng)過測量， 實驗過程中放電電阻溫度控制在60℃以內(nèi)， 不會出現(xiàn)熱失控等安全問題。

　　由上述實驗可以得到， 此均衡方法可在40小時內(nèi)達(dá)到電池SOC 的平衡。并且電路工作穩(wěn)定， 滿足混合動力車輛行駛要求，可以有效的防止電池不一致性的擴(kuò)大， 實現(xiàn)了能量的合理配置。

圖3 均衡前后充電曲線對。

　　7 結(jié)束語

　　在均衡模塊的硬件設(shè)計上充分考慮了測量的精確性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在制定均衡策略過程中兼顧了放電電阻的選擇、均衡閾值的選定、均衡的啟動和停止等方面。經(jīng)均衡測試證明此電路工作穩(wěn)定，可以有效的解決電池不均衡的問題， 提高了整組電池的使用效率， 對混合動力車具有實用性。